隨著移動和運輸系統的電氣化程度越來越高,電動車電池的設計和熱管理已經成為原始設備製造商和系統供應商的首要考量。他們希望在產品中提供頂級的安全性能,而電池的熱量生成與熱失控特性,則是影響電動車使用體驗與安全性的關鍵因素。
本篇內容將介紹基於 MSC 的多物理場分析技術,包括一維系統工具 Elements 和三維 CFD 熱流工具 Cradle CFD,並針對新能源電池行業面臨的挑戰,提出電池熱失控的分析解決方案,並通過實例進行詳細說明。
Cradle CFD 作為多物理場計算流體動力學的高效工具,可以顯著提升設計、研究與製造的效率和生產力,以 MSCOne 的方式使用,更添加了許多彈性與整合。為了確保鋰電池達到最佳性能、安全性與使用壽命,鋰電池必須在特定的溫度範圍內運行。因此,電池系統的熱管理顯得尤為重要。此外,在模擬中對實際電池單元進行真實物理建模的成本非常高,這也對設計提出了不小的挑戰。
RC 模型提供了一種快速且準確的電池建模方法,是基於等效電路模型(Equivalent Circuit Model)的一種簡化方式,不需要對電池的物理細節進行精確建模。核心原理是利用簡單的電路元件,如電阻(R)和電容(C)的組合,來模擬電池的工作狀態及響應特性:開路電壓(OCV)作為模型中的基礎電壓來源,反映電池在穩態下的電壓特性;電阻和電容組合則是多個電阻與電容串並聯組成的網絡,用來模擬電池的瞬態響應和熱行為。
RC 模型特別適合需要快速預測電池性能的應用場景,如電動車動力電池模擬、大規模電池模組的熱管理設計以及初步方案驗證等。
P2D 模型(Pseudo-2D Model,擬二維模型)是一種基於物理方程的精細化電池建模方法,專注於模擬電池內部微觀尺度上的行為,結合一系列物理方程模擬電池內部的物理和化學過程,包括固體與液體中的電荷守恆方程、Butler-Volmer 方程(電化學反應動力學)、以及固體與液體中的擴散方程。
Elements 是一款專為 1D 系統模擬設計的軟體,內建多學科元件庫,是一個功能強大的跨領域模擬工具。透過 Elements,使用者能輕鬆建立高精度、多領域的模擬模型,快速進行設計方案分析,評估系統性能以及方案的可行性。
Elements 採用直觀的拖放式建模連接方式,讓多領域元件的建模變得更簡單,涵蓋機械、電氣、熱力、液壓、氣動等多種學科。Elements 受益於 Hexagon 的 SmartFMU 技術,可以與其他 Hexagon 產品(如 Adams、Cradle、Easy5 等)無縫互聯,同時也支援傳統 FMU 功能,對非 Hexagon 工具完全開放,可應用於機器人、能源、包裝與物流、汽車、航太、重型機械等領域的系統整合分析。
本文針對上述問題,使用 MSCOne,結合 Elements 與 Cradle CFD 的耦合模擬,提出解決熱失控模擬分析的方法。透過 FMI 連接策略,電池模型的系統級建模使用 Elements,熱模擬則採用 Cradle CFD 的 scFLOW。Elements 根據 scFLOW 計算出的每個電池的溫度,動態計算其發熱量,並將每個電池的發熱量實時傳遞給 scFLOW,這種即時耦合方式,有效分析整個電池包在熱失控過程中的行為。
| 能力 | 說明 |
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| PICLS 快速評估 PCB 熱設計 | 提供高效且直觀的工具,快速驗證印刷電路板的熱設計效果,幫助工程師節省設計時間。 |
| 高效分析電子設備 | Cradle CFD 無需繁瑣的 CAD 模型清理,內建實用的熱設計零件,大幅提升電子設備熱設計分析的便利性。 |
| 模擬電力電子設備溫度分布 | 精準模擬 IGBT 模塊等元件的溫度分布,確保設備運行在最佳溫度範圍內。 |
| 評估冷卻能力 | 分析熱流,幫助評估風扇、散熱器或水套等冷卻設備的效能,提供更優化的冷卻設計方案。 |
| 揭示熱路徑與瓶頸 | 清楚地揭示電力電子設備的熱傳路徑,幫助工程師快速定位熱流的瓶頸,改善熱管理設計。 |
鋰電池必須運行在特定溫度範圍內才能兼顧性能、安全與壽命。本文介紹以 MSCOne 平台的 Cradle CFD(RC / P2D 電池模型)與 Elements 1D 系統工具進行耦合模擬,協助工程師及早預測與控制電池熱失控。
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